浅谈“海绵城市”在项目中的设计应用

2020-07-28刘彩虹

商品与质量 2020年20期

刘彩虹

江苏省建筑设计研究院苏州分院江苏苏州 215128

海绵城市是指城市能够像海绵一样，在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水“释放”并加以利用。海绵城市建设应统筹低影响开发雨水系统、城市雨水管渠系统及超标雨水径流排放系统[1]：通过低影响开发雨水系统对雨水进行渗透、储存、调节、转输与截污净化，有效控制径流总量、径流峰值和径流污染，并与城市雨水管渠系统共同组织径流雨水的收集、转输与排放，超标雨水则可通过雨水管渠排入自然水体或雨水调蓄池中。

“海绵城市”理念应用在项目上主要是以年径流总量控制率和年SS总量去除率为项目设计目标，通过设计低影响开发设施（如透水铺装、植草沟、生物滞留池、下凹式绿地等），并与地块内雨水管网有效链接起来，以慢排缓释和源头减排的方式有效控制地块内径流雨水外排量。

下面以昆山周市高中为例，整体介绍“海绵城市”理念在项目中的应用体现。并根据项目实践，对海绵专项设计中存在的几点问题进行探讨。

研究区概况：

昆山地处长江三角洲，位于江苏省东南部。昆山属北亚热带南部季风气候区，气候温和湿润，雨量充沛。多年平均降雨量1133.3毫米，昆山降雨呈明显季节特征，且目前频现极端气候。统计全年暴雨日数（日降水量≥50毫米）平均为2.9天，以6～8月出现次数最多。极易产生雨洪灾害。加之建成区面积不断扩大，现状雨水管网覆盖不足且设计标准明显偏低，已无法满足排涝要求，内涝风险持续攀升。

周市高中位于昆山市周市镇，占地面积约78909.42平方米，预计建筑面积约7.6万平方米，其中地下7354平方米，地上62646平方米。规划设置为16轨48班普通高级中学，可分为教学区、运动区、办公区、生活区、休闲绿化区等。学校总平面图如下图1所示：

图1 学校总平面图

控制目标：

根据《昆山市海绵城市规划设计导则》，本项目需要控制的指标为：年径流总量控制率≥85%(34mm/d)、年SS总量去除率≥70%。

海绵设施布局：

1 汇水区划分

项目竖向是划分海绵汇水分区的首要因素，利用勘探院提供的CAD地形图，核实标高后选取地块内所有局部高点并标注出来；建筑屋面脊线也是海绵分区的分水岭，查看建筑物屋面形式及落水管位置，将屋脊线或屋面分水线标注出来；再结合道路的纵横坡及起到阻水作用的小区围墙、路沿石、可阻水的挡墙、截水沟、车辆减速带等设施的位置，并与之前标注的点和线连接形成封闭的汇水分区线。根据分区依据，将周市高中分为36个汇水区，如下图2所示。

图2 汇水分区图

2 各汇水分区设计调蓄容积计算

根据地块的规划设计，同时配合景观效果，项目初步采用生态滞留池和下凹绿地作为海绵调蓄设施，屋面及道路径流雨水部分通过透水铺装或绿地下渗到地下补给地下水，另一部分则通过干式植草沟或地表径流排到生态滞留池，溢流雨水则通过溢流口溢流至地块雨水管网中，整个系统流程如下：

根据《昆山市海绵城市规划设计导则》5.3条，采用容积法计算各汇水分区的设计调蓄容积，计算公式如下：

V=10H·Ψ·F

式中：

V—设计调蓄容积或需蓄水容积（立方米）；

H—设计降雨量（毫米）；

Ψ—年均或场均综合雨量径流系数；

F—汇水面积（公顷）。

其中综合雨量径流系数Ψ需根据下垫面组成及面积分布采用加权平均法计算，即：

式中：

Ψ—地块综合雨量径流系数

F—汇水面积（平方米）

Fi—汇水面积上各类下垫面面积（平方米）

Ψi—各类下垫面的雨量径流系数

3 初步确定低影响开发设施规模

根据汇水分区，结合项目周边用地性质、水域面积率、绿地率等条件，综合确定低影响开发设施的类型、规模与布局，初步选取适宜当地条件的低影响开发技术和设施，主要包括透水铺装、生态滞留池、下凹式绿地、生态树池、转输植草沟等，其中生态滞留池和下凹绿地作为调蓄池主要起着控制地块内径流总量的作用。根据各汇水分区计算所得的设计调蓄容积，初步计算出各分区低影响开发设施的规模[2]。

a.生态滞留池的计算

生态滞留池使用体积法计算单位面积调蓄容积。由于生态滞留池属于渗透功能的设施，根据《昆山市海绵城市规划设计导则》第5.3条，渗透功能设施规模计算公式为：

Vs=V单-Wp

式中Vs——渗透设施的有效调蓄容积，包括设施顶部和结构内部蓄水空间的容积，m3；

V单——渗透设施进水量，m3；

Wp——渗透量，m3。

即V单=Vs+Wp

其中，Vs=滞留层体积+渗透层结构内部空隙体积

Wp=KJAsTs

式中：K——土壤（渗透层）渗透系数，100mm/h；

J——水力坡降，一般可取J=1；

As——有效渗透面积，1m2；

Ts——渗透时间，h，指降雨过程中设施的渗透历时，一般可取2h。

根据以上生态滞留池调蓄容积计算，可得出单位面积生物滞留池调蓄容积V单，最后根据公式S分区=V分区/V单，可计算出各海绵分区生物滞留池规模。

b.下凹绿地的计算

下凹式绿地属于可调蓄的设施，不考虑绿地的下渗，设施规模计算公式：

V单=h

式中V单——单位面积下凹绿地的有效调蓄容积，m3；

h——下凹绿地的可调蓄深度，m ；

然后根据公式S分区=V分区/V单，可计算出各海绵分区下凹绿地的规模。

4 初步确定个汇水分区海绵设施布局

根据地块内各分区下垫面的平面布局，结合景观设计合理布置海绵设施，使其尽可能达到海绵设施设计规模。海绵平面布局如图3所示：

图3 海绵布局图

a. 实际综合年径流总量控制率的计算

根据各分区下垫面布局及海绵设施实际规模，采用容积法计算出各分区综合雨量径流系数和实际降雨量，对照统计分析法计算出的年径流总量控制率与设计降雨量的关系，确定各分区低影响开发雨水系统的实际年径流总量控制率。

地块实际综合年径流总量控制率则可按下式计算：

式中：

Φ总—地块实际综合年径流总量控制率

Φ分—汇水分区实际年径流总量控制率

Ψ分—汇水分区雨量径流系数

F分—汇水分区汇流面积

b.实际综合SS去除率的计算

根据各分区海绵设施的规模及平面径流组织情况，计算出各海绵设施的汇水面积。各分区海绵设施平均SS去除率可按下式计算：

式中：

γ平均—汇水分区海绵设施平均SS去除率

γ设施—海绵设施径流污染去除率

F汇—分区内海绵设施汇水面积

各汇水分区实际SS去除率则为各分区海绵设施平均SS去除率γ平均与各分区实际年径流总量控制率Φ分的乘积，即：

式中：

γ分—各分区实际SS去除率

γ平均—汇水分区海绵设施平均SS去除率

Φ分—汇水分区实际年径流总量控制率

各分区实际SS去除率经各分区汇水面积与各分区综合雨量径流系数的乘积加权平均，即为地块实际综合SS去除率，即：

式中：

γ总—地块实际综合SS去除率

γ分—各分区实际SS去除率

F分—分区汇水面积

Ψ分—各分区综合雨量径流系数

以下是该项目各汇水分区海绵各项指标计算结果：

表1 海绵计算表

从上表可以看出地块实际综合年径流总量控制率为≥85%，实际综合SS去除率为≥70%，达到设计目标。此处需要指出的是，如果实际综合年径流总量控制率或实际综合SS去除率没有达标，则需重新调整各汇水分区海绵设施布局，反复计算，直至控制指标满足要求。

“海绵城市”在项目设计中存在的问题：

以上就是“海绵城市”在项目中的具体设计过程，目前 “海绵城市”理念虽然已广泛应用于项目中，但在实际应用中，也存在许多细节问题。在这里，笔者结合以往项目经验，总结出以下几点问题：

a.由于处于“海绵城市”开发应用早期，没有一个统一的设计标准，低影响开发雨水设施地方图集不全。笔者接触较多的主要是苏州和昆山的项目，就昆山项目而言，地方图集相当匮乏，导致设施详图不够精准[3]。

b.当项目地块内设有雨水回收池时，雨水回收池是否兼做海绵调蓄设施使用？笔者参考过好几个已建成的海绵城市项目，都设有雨水回收池，并只用于雨水回收。但以上述周市高中项目为例，我们分析整个地块的径流雨水流程情况，一部分径流雨水通过透水铺装或绿地下渗到地下补给地下水，另一部分则通过地表径流或植草沟或明沟转输至生态滞留池中，溢流雨水则通过溢流口溢流至地块雨水管网中，并最终进入雨水回收池。可想而知，雨水回收池对地块内部分径流雨水也具有调蓄作用，因此海面积算时，有必要将雨水回收池作为调蓄池来计算。

c.上述讲到雨水回收池可作为调蓄池来计算，但在实际设计中，回收池一般设在地块内雨水管网末端，而在海绵计算中由于各汇水分区的溢流雨水最终都会流进回收池中，也就是说回收池对有溢流雨水的分区都具有调蓄作用，那怎样将雨水回收池中的调蓄容积分别计算到各个分区中去呢？笔者认为可以按如下方法计算：当根据景观布局确定了各分区海绵设施规模时，分别计算各分区实际海绵设施调蓄容积，当实际调蓄容积没有达到设计调蓄容积时（即有溢流雨水排出），则将两者之差作为该分区雨水回收池的实际调蓄容积。

d.各分区海绵设施需要设计溢流口，以往设计中，在溢流口计算时采用的汇水面积都是按整个分区的汇水面积计算，并将计算所得的溢流口个数平均分配到分区中各海绵设施中。笔者认为这样并不合理，溢流口计算可分为以下两种情况：（1）当汇水分区中只有一个海绵调蓄设施时，溢流口计算中采用的汇水面积可按整个分区汇水面积计算；（2）当汇水分区中有两个以上海绵调蓄设施时，笔者认为在溢流口计算时，其汇水面积则应按各海绵设施对应的汇水面积计算，这样，各海绵设施的溢流口个数更为精确。